Как измерить ток осциллографом

Измерение тока - простая задача: все, что вам нужно сделать, это подключить мультиметр к цепи, которую вы хотите измерить, и измеритель даст вам точное значение для использования. Иногда вы не можете действительно «разомкнуть» цепь, чтобы подключить мультиметр последовательно к тому, что вы хотите измерить. Это тоже решается довольно просто - вам просто нужно измерить напряжение на известном сопротивлении в цепи - тогда ток будет просто напряжением, деленным на сопротивление (из закона Ома).

Когда вы хотите измерить изменяющиеся сигналы, все становится немного сложнее. Это зависит от частоты обновления (количества выборок в секунду) мультиметра, и средний человек может уловить лишь определенное количество изменений на дисплее в секунду. Измерение переменного тока становится немного проще, если ваш мультиметр имеет измерение среднеквадратичного напряжения (среднеквадратичное напряжение - это напряжение сигнала переменного тока, который будет передавать такое же количество энергии, что и источник постоянного тока с таким напряжением). Это строго ограничено периодическими сигналами (прямоугольные волны и т.п. строго исключены, если среднеквадратичное значение не является «истинным», даже в этом случае нет никаких гарантий точности измерения). Большинство мультиметров также имеют фильтр нижних частот, что предотвращает измерение переменного тока выше нескольких сотен герц.

Как использовать осциллограф для измерения тока

Осциллограф заполняет промежуток между человеческим восприятием и устойчивыми значениями мультиметра - он отображает своего рода "график" напряжение-время сигнала, что позволяет лучше визуализировать изменяющиеся сигналы по сравнению с набором изменяющихся чисел на мультиметре..

При наличии подходящего оборудования также возможно измерение сигналов с частотами до нескольких гигагерц. Однако осциллограф - это устройство для измерения напряжения с высоким импедансом - он не может измерять токи как таковые. Использование осциллографа для измерения токов требует преобразования тока в напряжение, и это можно сделать несколькими способами.

1. Использование шунтирующего резистора

Это, пожалуй, самый простой способ измерения тока, и он будет подробно рассмотрен здесь.

Преобразователь тока в напряжение здесь представляет собой скромный резистор.

Базовые знания говорят нам, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через него. Это можно резюмировать с помощью закона Ома:

V = ИК

Где V - напряжение на резисторе, I - ток через резистор, а R - сопротивление резистора, все в соответствующих единицах.

Хитрость здесь заключается в том, чтобы использовать сопротивление резистора, которое не влияет на всю измеряемую цепь, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе приводит к падению меньшего напряжения на цепи, в которую он помещен. Общее практическое правило - использовать резистор, который намного меньше, чем сопротивление / импеданс измеряемой цепи (в десять раз меньше в хорошей отправной точке), чтобы предотвратить влияние шунта на ток в измеряемой цепи.

Например, трансформатор и полевой МОП-транзистор в преобразователе постоянного тока в постоянный ток могут иметь общее (постоянное) сопротивление в десятки миллиом, размещение большого (скажем) резистора 1 Ом приведет к падению большей части напряжения на шунте (помните, что для резисторов, подключенных последовательно, отношение напряжения, падающего на резисторах, является отношением их сопротивлений) и, следовательно, большие потери мощности. Резистор просто преобразует ток в напряжение для измерения, поэтому мощность не выполняет никакой полезной работы. В то же время на небольшом резисторе (1 мОм) будет падать только небольшое (но измеримое) напряжение на нем, а остальная часть напряжения будет выполнять полезную работу.

Теперь, выбрав номинал резистора, вы можете подключить заземление пробника к заземлению цепи, а наконечник пробника к шунтирующему сопротивлению, как показано на рисунке ниже.

Здесь вы можете использовать несколько хитрых приемов.

Предположим, ваш шунт имеет сопротивление 100 мОм, тогда ток 1 А приведет к падению напряжения на 100 мВ, что даст нам «чувствительность» 100 мВ на ампер. Это не должно вызвать проблем, если вы будете осторожны, но часто 100 мВ принимают буквально - другими словами, путают со 100 мА.

Эту проблему можно решить, установив для параметра входа значение 100X - пробник уже имеет 10-кратное ослабление, поэтому добавление еще 10X к сигналу возвращает его обратно к 1 В на ампер, то есть вход «умножается» на 10. Большинство осциллографов поставляются с эта функция позволяет выбирать входное затухание. Однако могут быть прицелы, поддерживающие только 1X и 10X.

Еще одна полезная небольшая функция - это возможность установить вертикальные единицы, отображаемые на экране - среди прочего, V можно изменить на A, W и U.

Все усложняется, если вы не можете разместить низкую сторону шунта. Заземление осциллографа напрямую связано с землей, поэтому, если ваш источник питания также заземлен, подключение зажима заземления пробника к любой случайной точке в цепи приведет к замыканию этой точки на землю.

Этого можно избежать, выполнив так называемое дифференциальное измерение.

Большинство осциллографов имеют математическую функцию, которая может использоваться для выполнения математических операций с отображаемыми формами сигналов. Обратите внимание, что это никоим образом не меняет фактический сигнал!

Здесь мы будем использовать функцию вычитания, которая отображает разницу двух выбранных сигналов.

Поскольку напряжение - это просто разность потенциалов в двух точках, мы можем подключить по одному щупу к каждой точке и подключить зажимы заземления к заземлению цепи, как показано на рисунке.

Отображая разницу между двумя сигналами, мы можем определить ток.

Тот же трюк с «затуханием», который использовался выше, применим и здесь, просто не забудьте изменить оба канала.

Недостатки использования шунтирующего резистора:

У использования шунтирующего резистора есть несколько недостатков. Первый - это допуск, который может достигать 5%. Это то, что приходится учитывать с трудом.

Второй - температурный коэффициент. Сопротивление резисторов увеличивается с температурой, что приводит к большему падению напряжения для данного тока. Это особенно плохо для сильноточных шунтирующих резисторов.

2. Использование токового пробника

Готовые к эксплуатации токовые пробники (называемые «токовые клещи»; они зажимают провода без прерывания цепей) доступны на рынке, но вы не увидите, чтобы многие любители их использовали из-за их непомерно высокой стоимости.

Эти датчики используют один из двух методов.

Первый способ состоит в использовании раны катушки вокруг сердечника полукруглого феррита. Ток в проводе, вокруг которого был зажат зонд, создает магнитное поле в феррите. Это, в свою очередь, вызывает напряжение в катушке. Напряжение пропорционально скорости изменения тока. Интегратор «интегрирует» форму волны и выдает выходной сигнал, пропорциональный току. Шкала выходного сигнала обычно составляет от 1 мВ до 1 В на ампер.

Во втором методе используется датчик Холла, зажатый между двумя ферритовыми полукругами. Датчик Холла выдает напряжение, пропорциональное току.

3. Быстрый и грязный метод

Этот метод не требует дополнительных компонентов, кроме прицела и зонда.

Этот метод очень похож на использование токового пробника. Оберните провод заземления зонда вокруг провода, по которому измеряется ток, а затем подсоедините зажим заземления к наконечнику зонда.

Произведенное напряжение снова пропорционально скорости изменения тока, и вам необходимо выполнить некоторую математику с формой сигнала (а именно интегрирование; у большинства осциллографов это есть в меню «математика»), чтобы интерпретировать его как ток.

С точки зрения электричества, закороченный зонд в основном образует проволочную петлю, которая действует как трансформатор тока, как показано на рисунке.

Заключение

Существует несколько методов измерения изменяющихся форм сигналов тока с помощью осциллографа. Самый простой - использовать токовый шунт и измерить напряжение на нем.